(Phys.org) —Grafeen, de enkel-atoom-dikke vorm van koolstof, is beroemd geworden om zijn buitengewone kracht. Maar minder-dan-perfecte vellen van het materiaal vertonen onverwachte zwakte, volgens onderzoekers van Rice University in Houston en Tsinghua University in Beijing.

Het kryptoniet van deze Superman van materialen heeft de vorm van een ring met zeven atomen die onvermijdelijk voorkomt op de kruispunten van korrelgrenzen in grafeen, waar de reguliere reeks zeshoekige eenheden wordt onderbroken. Op deze punten, onder druk, polykristallijn grafeen heeft ongeveer de helft van de sterkte van ongerepte monsters van het materiaal.

Berekeningen door het Rice-team van theoretisch fysicus Boris Yakobson en zijn collega's in China werden deze maand gerapporteerd in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters . Ze kunnen belangrijk zijn voor materiaalwetenschappers die grafeen gebruiken in toepassingen waar de intrinsieke sterkte een belangrijk kenmerk is, zoals composietmaterialen en rekbare of flexibele elektronica.

Grafeenplaten gekweekt in een laboratorium, vaak via chemische dampafzetting, zijn bijna nooit perfecte reeksen van zeshoeken, zei Yakobson. Domeinen van grafeen die op een substraat beginnen te groeien, staan ​​niet per se op een rij, en wanneer deze eilanden samensmelten, ze zien eruit als quilts, met patronen die alle kanten opgaan.

De lijnen in polykristallijne platen worden korrelgrenzen genoemd, en de atomen aan deze grenzen worden af ​​en toe gedwongen om de manier waarop ze hechten te veranderen door de onbreekbare regels van de topologie. De meest voorkomende "defecten" in de vorming van grafeen die door de groep van Yakobson zijn bestudeerd, zijn aangrenzende ringen met vijf en zeven atomen die iets zwakker zijn dan de zeshoeken eromheen.

Het team berekende dat de specifieke ringen van zeven atomen die op kruispunten van drie eilanden worden gevonden, de zwakste punten zijn. waar de kans op scheurvorming het grootst is. Dit zijn de eindpunten van de korrelgrenzen tussen de eilanden en zijn voortdurende knelpunten, vonden de onderzoekers.

"Vroeger, mensen die bestudeerden wat er bij de korrelgrens gebeurt, zagen het als een oneindige lijn, " zei Yakobson. "Het is eenvoudiger op die manier, rekenkundig en conceptueel, omdat ze gewoon naar een enkel segment konden kijken en het het geheel konden laten vertegenwoordigen."

Maar in de echte wereld, hij zei, "deze lijnen vormen een netwerk. Grafeen is meestal een quilt gemaakt van vele stukken. Ik dacht dat we de knooppunten moesten testen."

Ze bepaalden door middel van moleculaire dynamica-simulatie en "goede oude wiskundige analyse" dat in een grafeenquilt, de korrelgrenzen werken als hefbomen die de spanning versterken (door een dislocatie-opstapeling) en deze concentreren op het defect waar de drie domeinen samenkomen of waar een korrelgrens tussen twee domeinen eindigt. "De details zijn ingewikkeld, maar in principe, hoe langer de hendel, hoe groter de versterking op het zwakste punt, " zei Yakobson. "De kracht is daar geconcentreerd, en daar begint het te breken."

"De kracht op deze kruispunten begint de scheuren, en ze planten zich voort als scheuren in een voorruit, " zei Vasilii Artyukhov, een postdoctoraal onderzoeker bij Rice en co-auteur van het artikel. "Bij metalen, scheuren stoppen uiteindelijk omdat ze bot worden als ze zich voortplanten. Maar in brosse materialen, dat gebeurt niet. En grafeen is een broos materiaal, dus een scheur kan een heel lange weg gaan."

Yakobson zei dat conceptueel, de berekeningen laten zien wat metaalbewerkers herkennen als het Hall-Petch-effect, een maat voor de sterkte van kristallijne materialen met vergelijkbare korrelgrenzen. "Het is een van de pijlers van grootschalige materiaalmechanica, " zei hij. "Voor grafeen, we noemen dit een pseudo Hall-Petch, omdat het effect erg op elkaar lijkt, hoewel het mechanisme heel anders is.

"Elk defect, natuurlijk, doet iets met het materiaal, " zei Yakobson. "Maar deze bevinding is belangrijk omdat je het effect in polykristallijn grafeen niet kunt vermijden. Het is ook ironisch, omdat polykristallen vaak worden overwogen wanneer grotere domeinen nodig zijn. We laten zien dat naarmate het groter wordt, het wordt zwakker.

"Als je een stukje grafeen nodig hebt voor mechanische prestaties, je kunt beter gaan voor perfecte eenkristallen of grafeen met vrij kleine domeinen die de stressconcentratie verminderen."